מודל מתמטי הוא מודל, המשתמש בשפה מתמטית על מנת לתאר מערכת. מודלים מתמטיים נמצאים בשימוש נרחב לא רק בתחומי מדעי הטבע וההנדסה (כגון פיזיקה, ביולוגיה, כימיה ומדעי כדור הארץ) אלא גם במדעי החברה (כגון כלכלה, פסיכולוגיה, סוציולוגיה, מדעי המדינה) ולמעשה בכל תחום המשתמש במתמטיקה על מנת לתאר את עולמו. תהליך הפיתוח של המודל המתמטי נקרא "מידול מתמטי" ועל פי רוב הוא מצריך הבנה מתמטית טובה מספיק המאפשרת למפתח המודל להשתמש בכלים המתמטיים הנדרשים על מנת לתאר את המערכת אותה הוא חוקר.
קיימים סוגים רבים של מודלים מתמטיים, בין היתר כמערכת דינאמית, כמודל סטטיסטי, משוואה דיפרנציאלית, תהליך סטוכסטי ואף כמשחק בתורת המשחקים ומודל אחד אף יכול להכיל מרכיבים שונים היוצרים יחד את המודל המתמטי של המערכת הכוללת.